【導讀】電動汽車 (EV) 牽引逆變器是電動汽車的核心。它將高壓電池的直流電轉換為多相（通常為三相）交流電以驅動牽引電機，並控製製動產生的能量再生。電動汽車電子產品正在從 400V 轉向 800V 架構
，這有望實現：

●   快速充電 – 在相同的電流下提供雙倍的功率。

●   通過利用碳化矽 (SiC) 提高效率和功率密度。

●   通過使用更細的電纜減少相同額定功率下 800V 電壓所需的電流，從而減輕重量。

在牽引逆變器中，微控製器 (MCU) 是係統的大腦，通過模數轉換器 (ADC) 進行電機控製
、電壓和電流采樣，使用磁芯計算磁場定向控製 (FOC) 算法，並使用脈寬調製 (PWM) 信號驅動功率場效應晶體管 (FET)。對於 MCU，向 800V 牽引逆變器的轉變對其帶來了三個挑戰：

●   更低延遲的實時控製性能需求。

●   增加了功能安全要求。

●   需要快速響應係統故障。

在本文中
，我們將討論基於 Arm® 的 Sitara™ AM2634-Q1 和 C2000™ MCU 等器件如何應對這些挑戰。

更低延遲的實時控製

為了控製牽引電機的扭矩和速度
，MCU 使用外設（ADC、PWM）和計算內核的組合來完成控製環路。隨著轉向 800V 係統
，牽引逆變器也轉向寬帶隙半導體（例如 SiC），因為它們在 800V 時大大提高了效率和功率密度。為了實現 SiC 所suo需xu的de更geng高gao開kai關guan頻pin率lv
，這zhe種zhong控kong製zhi環huan路lu延yan遲chi成cheng為wei優you先xian事shi項xiang。低di延yan遲chi控kong製zhi環huan路lu還hai使shi工gong程cheng師shi能neng夠gou以yi更geng高gao的de轉zhuan速su運yun行xing電dian機ji，從cong而er減jian小xiao電dian機ji的de尺chi寸cun和he減jian輕qing重zhong量liang。要yao了le解jie並bing縮suo短duan控kong製zhi環huan路lu延yan遲chi
，您nin必bi須xu了le解jie控kong製zhi環huan路lu信xin號hao鏈lian及ji其qi各ge個ge階jie段duan，如ru圖tu 1 所示。

圖 1：控製環路信號鏈

為獲得出色的實時控製性能
，您必須優化整個信號鏈，包括硬件和軟件。從 ADC 采樣（來自電機的輸入）到寫入 PWM（輸出以控製電機）所花費的時間是實時控製性能的基本衡量標準。從 ADC 采樣開始，逆變器係統需要準確快速的采樣，即實現高采樣率、至少 12 位(wei)分(fen)辨(bian)率(lv)和(he)低(di)轉(zhuan)換(huan)時(shi)間(jian)。一(yi)旦(dan)可(ke)進(jin)行(xing)采(cai)樣(yang)，它(ta)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)互(hu)連(lian)傳(chuan)輸(shu)到(dao)處(chu)理(li)器(qi)並(bing)由(you)處(chu)理(li)器(qi)讀(du)取(qu)，並(bing)優(you)化(hua)的(de)總(zong)線(xian)和(he)內(nei)存(cun)訪(fang)問(wen)架(jia)構(gou)縮(suo)短(duan)延(yan)遲(chi)。在(zai)處(chu)理(li)器(qi)中(zhong)，內(nei)核(he)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong) FOC 算法根據電機的相電流、速度和位置計算下一個 PWM 步驟。

為wei了le更geng大da限xian度du地di減jian少shao計ji算suan時shi間jian
，內nei核he需xu要yao較jiao高gao的de時shi鍾zhong速su率lv並bing且qie必bi須xu高gao效xiao地di執zhi行xing特te定ding數shu量liang的de指zhi令ling。此ci外wai
，內nei核he需xu要yao執zhi行xing一yi係xi列lie指zhi令ling類lei型xing，包bao括kuo浮fu點dian、三角和整數數學指令。最後，內核再次使用低延遲路徑將更新後的占空比寫入 PWM 發生器。在 PWM 輸出上應用死區補償將防止在切換高側和低側 FET 時發生短路，最好在硬件級別應用以減少軟件開銷。

TI MCU 的牽引逆變器控製環路延遲低至 2.5µs，AM2634-Q1 的延遲小於 4µs。這種級別的控製環路延遲將麵向包括 SiC 架構的未來設計，。

增加功能安全要求

由於牽引逆變器提供電力來控製電機，因此它們本質上是功能安全型關鍵係統。由於 800V 係統有可能提供更高的功率
、扭矩
、速度（或三者兼而有之）
，因此牽引係統需要功能安全達到汽車安全完整性等級 (ASIL) D 級要求。功能安全係統的一個關鍵部分是 MCU，因為它需要智能地做出安全響應係統故障的決策。因此，使用通過 ASIL D 認證的MCU是一個重要的安全元素。

為了讓工程師更輕鬆地滿足特定於牽引逆變器的係統安全要求，TI MCU tigongleewaidegongneng。liru，xiangdianliufankuibiaoshiyouguandianjiniujudexinxi
，zheshidezhexiexinhaoduianquanzhiguanzhongyao。yinci，xuduogongchengshigengxihuanduixiangdianliujinxingrongyucaiyang

，zheyiweizhe MCU 必須具有多個獨立的 ADC。

快速響應係統故障

工程師麵臨的另一個挑戰是在出現故障時能夠快速將電機置於安全狀態，例如續流。在 AM2634-Q1 器件中，故障通用輸入（用於過流、過壓或高速故障）會進入到創新的可編程實時單元 (PRU)。在 PRU 中執行的固件可以正確評估和響應故障類型並執行所需的 PWM 保護序列
，如圖 2 所示
，然後根據需要直接將 PWM 置於安全狀態。這些操作發生在短短 105ns 內。此外，由於固件是用戶可進行編程的，因此工程師可以在必要時添加額外的自定義邏輯來滿足他們的應用要求。

圖 2：流程圖顯示了基於故障輸入的 PWM 輸出的預期保護行為

隨著越來越多電動汽車的生產
，設計趨勢將轉向 SiC 和 800V 技(ji)術(shu)，同(tong)時(shi)需(xu)要(yao)提(ti)高(gao)電(dian)機(ji)控(kong)製(zhi)性(xing)能(neng)並(bing)滿(man)足(zu)牽(qian)引(yin)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)要(yao)求(qiu)。隨(sui)著(zhe)世(shi)界(jie)朝(chao)著(zhe)電(dian)氣(qi)化(hua)方(fang)向(xiang)發(fa)展(zhan)，性(xing)能(neng)和(he)效(xiao)率(lv)方(fang)麵(mian)的(de)創(chuang)新(xin)對(dui)於(yu)幫(bang)助(zhu)汽(qi)車(che)工(gong)程(cheng)師(shi)設(she)計(ji)下(xia)一(yi)代(dai)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。

其他資源

●   參閱應用手冊“用於牽引逆變器的 AM263x”。

●   瀏覽用於實現電機控製環路的代碼。

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